что такое фильтр в электротехнике

Электрические фильтры. Классификация и основные параметры

Электрический фильтр — это устройство, предназначенное для выделения или подавления электрических сигналов заданных частот.

По характеру полосы пропускаемых частот фильтры делятся на шесть типов:

1) ФНЧ (фильтр нижних частот) — пропускает сигналы с частотой от 0 до f_в (f_в=ω_в/2π).

2) ФВЧ (фильтр верхних частот) — пропускает сигналы с частотой от f_н до ∞

3) ФПП (полосовой фильтр) — пропускает сигналы с частотой от f_н до f_в.

4) РФ (режекторный фильтр) — не пропускает сигналы заданной частоты или полосы частот

5) ГПФ (гребенчатый фильтр) — фильтр, имеющий несколько полос пропускания.

6) РГФ (режекторный гребенчатый фильтр) — фильтр, имеющий несколько полос подавления.

Основные характеристики электрических фильтров — это полоса пропускания и избирательность.

Границы полос пропускания (ω_в, ω_н) определяются по частотам, на которых коэффициент усиления Ко уменьшается в √2≈0,7 раз.

Избирательность — мера, характеризующая способность фильтра разделять две группы колебаний с близкими частотами. Она определяется крутизной спада коэффициента передачи К(ω) на переходном участке от полосы пропускания к полосе подавления. Обычно крутизна спада оценивается в логарифмических единицах, Дб/окт: Δ=20Lg(K(ω₂)/K(ω₁)), где ω₂=2ω₁.

Фильтры бывают пассивные — состоящие только из пассивных элементов (резистор, конденсатор, катушка индуктивности) и активные — в состав которых входят усилительные элементы.

Пассивные фильтры используют только энергию фильтруемого сигнала, активные — используют дополнительно подведенную энергию.

Для понимания того, как рассчитываются фильтры вспомним уравнения, связывающие напряжение и ток для пассивных элементов.

1) Резистор: u(t)=R*i(t), в операторной форме U(S)=R*I(S), W(S)=R

2) Конденсатор: i(t)=C*d(u(t))/dt, в операторной форме U(S)=I(S)*1/CS, W(S)=1/CS

3) Индуктивность: u(t)=L*d(i(t))/dt, в операторной форме U(S)=LS*I(S), W(S)=LS

Рассмотрим последовательно соединенные L, C, R звенья:

Если считать, что входное сопротивление нагрузки много больше сопротивления фильтра, то i₂=0, i₁=i. В действительности это не так, но мы рассматриваем идеальный вариант.

Тогда (для данной схемы) можно считать U_вых(S)=I(S)*R, U_вх(S)=I(S)*(LS+1/CS+R),

отсюда коэффициент усиления: K(S)=U_вых(S)/U_вх(S)=R/(LS+1/CS+R).

Подставив в эту формулу S=jω, можно получить зависимости:

K(ω) — АЧХ фильтра и j(ω) — ФЧХ фильтра.

Необходимо помнить, что чем более неравномерны АЧХ и ФЧХ фильтра на рабочем участке, тем более сильно искажается форма отфильтрованного сигнала.

Источник

Фильтр (электроника)

Фильтр в электронике — устройство для выделения желательных компонентов спектра электрического сигнала и/или подавления нежелательных.

Содержание

Типы фильтров

Фильтры, находящие применение в обработке сигналов, бывают

Среди множества рекурсивных фильтров отдельно выделяют следующие фильтры (по виду передаточной функции):

По тому, какие частоты фильтром пропускаются (задерживаются), фильтры подразделяются на

Принцип работы пассивных аналоговых фильтров

В конструкциях пассивных аналоговых фильтров используют сосредоточенные или распределённые реактивные элементы, такие как катушки индуктивности и конденсаторы. Сопротивление реактивных элементов зависит от частоты сигнала, поэтому, комбинируя их, можно добиться усиления или ослабления гармоник с нужными частотами.

Фильтр на сосредоточенных элементах

На рисунке показан пример простейшего LC-фильтра нижних частот: при подаче сигнала определённой частоты на вход фильтра (слева), напряжение на выходе фильтра (справа) определяется отношением реактивных сопротивлений катушки индуктивности () и конденсатора ().

Коэффициент передачи ФНЧ можно вычислить, рассматривая делитель напряжения, образованный частотно-зависимыми сопротивлениями. Комплексное (с учетом сдвига фаз между напряжением и током) сопротивление катушки индуктивности есть и конденсатора , где , поэтому, для ненагруженного LC-фильтра

.

Подставляя значения сопротивлений, получим для частотно-зависимого коэффициента передачи:

.

Как видно, коэффициент передачи ненагруженного идеального ФНЧ неограниченно растет с приближением к частоте , и затем убывает. На очень низких частотах коэффициент передачи ФНЧ близок к единице, на очень высоких — к нулю. Вообще, зависимость модуля комплексного коэффициента передачи фильтра от частоты называют амлитудно-частотной характеристикой (АЧХ), а зависимость фазы — фазо-частотной характеристикой (ФЧХ).

В реальных схемах к выходу фильтра подключается активная нагрузка, которая понижает добротность фильтра и предотвращает острый резонанс АЧХ вблизи частоты . Величину называют характеристическим сопротивлением фильтра. ФНЧ, нагруженный на сопротивление, равное характеристическому, имеет нерезонансную АЧХ, примерно постоянную для частот , и убывающую как на частотах выше . Поэтому, частоту называют частотой среза.

Аналогичным образом строится и LC-фильтр верхних частот. В схеме ФВЧ меняются местами катушка индуктивности и конденсатор. Для ненагруженного ФВЧ получается следующий коэффициент передачи:

.

На очень низких частотах модуль коэффициента передачи ФВЧ близок к нулю. На очень высоких — к единице.

Фильтры с распределёнными параметрами (фильтры СВЧ)

Конструкции СВЧ фильтров весьма разнообразны, и выбор конкретной реализации зависит от предъявляемых к устройству требований (значение рабочих частот, добротность, максимальное затухание в полосе задержания, расположение паразитных полос пропускания).

Проектирование фильтров на распределённых параметрах является достаточно сложным процессом, состоящим из двух этапов: получение электрических параметров, исходя из требований к устройству; получение габаритных параметров из полученных электрических.

Принцип работы активных аналоговых фильтров

Активные аналоговые фильтры строятся на основе усилителей, охваченных петлёй обратной связи (положительной или отрицательной). В активных фильтрах возможно избежать применения катушек индуктивности, что позволяет уменьшить физические размеры устройств, упростить и удешевить их изготовление.

Применение

LC-фильтры используются в силовых электрических цепях для гашения помех и для сглаживания пульсаций напряжения после выпрямителя. В каскадах радиоэлектронной аппаратуры часто применяются перестраиваемые LC-фильтры, например, простейший LC-контур, включенный на входе средневолнового радиоприёмника обеспечивает настройку на определённую радиостанцию.

Фильтры используются в звуковой аппаратуре в многополосных эквалайзерах для корректировки АЧХ, для разделения сигналов низких, средних и высоких звуковых частот в многополосных акустических системах, в схемах частотной коррекции магнитофонов и др.

Источник

Промышленные источники энергии обеспечивают практически синусоидальные кривые изменения напряжения. Вместе с тем в ряде случаев переменные токи и напряжения, являясь периодическими, резко отличаются от гармонических.

Электрические фильтры могут применяться для сглаживания пульсаций напряжения выпрямителей, демодуляторов, которые преобразуют модулированные по амплитуде колебания высокой частоты в относительно медленные изменения напряжения сигнала, и в других подобных устройствах.

В самом простейшем случае можно ограничиться включением последовательно с нагрузкой катушки индуктивности, сопротивление которой увеличивается с возрастанием порядка гармонической и сравнительно невелико для низкочастотных колебаний, и тем более для постоянной составляющей. Более эффективно применение П-образных, Т-образных и Г-образных фильтров.

Основные определения и классификация электрических фильтров

Избирательностью фильтра называется способность его выделять определенный диапазон частот, присущих полезному сигналу из всего спектра частот токов, поступающих на его вход.

Для получения хорошей избирательности фильтр должен пропускать тока с частотами, присущими полезному сигналу с минимальным затуханием, и иметь максимальное затухание для токов всех других частот. В соответствии с этим фильтру можно дать следующее определение.

Электрическим фильтром называется четырехполюсник, пропускающий токи в определенной полосе частот с небольшим затуханием (полоса пропускания), а токи с частотами, лежащими вне этой полосы,— с большим затуханием, или, как условно принята говорить, не пропускает (полоса непропускания).

По структуре схем фильтры разделяются на цепочечные (лестничные) и мостиковые. Цепочечными называются фильтры, выполненные по Т-, П- и Г-образно-мостиковым схемам. Мостиковыми называются фильтры, выполненные по мостиковой схеме.

В зависимости от характера элементов фильтры разделяются на:

LC — элементами которых являются индуктивности и емкости;

RC — элементами которых являются активные сопротивления и емкости;

резонаторные — элементами которых являются резонаторы.

По наличию в схеме фильтров источников энергии их разделяют на:

пассивные — не содержащие внутри схемы источников энергии;

активные — содержащие внутри схемы источники энергии в виде лампового или кристаллического усилителя; иногда их называют фильтрами с активными элементами.

Для всесторонней характеристики работы фильтра необходимо знать его электрические характеристики, к которым относятся частотные зависимости затухания, фазового сдвига и характеристического сопротивления.

Наилучшим является такой фильтр, который при минимальном количестве элементов обладает:

максимальной крутизной характеристики затухания;

большим затуханием в полосе непропускания;

минимальным и постоянным затуханием в полосе пропускания;

максимальным постоянством характеристического сопротивления в полосе пропускания;

линейной фазовой характеристикой;

возможностью простой и плавной регулировки полосы пропускания и ее ширины;

постоянством характеристик, не зависящих от: напряжений (токов), действующих на входе фильтра, температуры и влажности окружающей среды, а также влияния посторонних электрических и магнитных помех;

возможностью работы в различных диапазонах частот;

при этом габариты, вес и стоимость фильтра должны быть минимальными.

К сожалению, нет ни одного элементарного типа фильтров, характеристики которого удовлетворяли бы всем этим требованиям. Поэтому в зависимости от конкретных условий применяются такие типы фильтров, характеристики которых больше всего удовлетворяют предъявляемым техническим требованиям,. Очень часто приходится применять фильтры сложных схем, состоящих из элементарных звеньев различного типа.

Самые распространенные виды фильтров

На рис. 1 показана схема простого Г-образного фильтра с катушкой индуктивности L и конденсатором С, включенными между приемником r пр и выпрямителем В.

Переменные токи всех частот встречают значительное сопротивление катушки индуктивности, а включенный параллельно конденсатор пропускает по параллельной ветви остаточные токи высоких частот. Благодаря этому значительно уменьшаются пульсации напряжения на нагрузке r пр.

Могут применяться и фильтры, состоящие из двух и более подобных звеньев. Иногда используются упрощенные фильтры с резисторами вместо катушек индуктивности.

Рис. 1. Простейший сглаживающий Г-образный электрический фильтр

Более совершенными являются резонансные фильтры, в которых используются явления резонанса.

При последовательном соединении катушки индуктивности и конденсатора, когда f w L= 1/(к w С), цепь будет иметь наибольшую проводимость (активную) при частоте f w и достаточно высокие проводимости в полосе частот, близких к резонансной. Такая цепь является простым полосовым фильтром.

При параллельном соединении катушки индуктивности и конденсатора такая цепь будет иметь наименьшую проводимость при резонансной частоте и относительно малые проводимости в полосе частот, близких к резонансной. Такой фильтр является заградительным для некоторой полосы частот.

Для улучшения характеристики простого полосового фильтра можно применять схему (рис. 2), в которой параллельно приемнику включены параллельно друг другу катушка индуктивности и конденсатор. Такая цепь настроена также в резонанс на частоту коз и представляет очень большое сопротивление для токов выбранной полосы частот и значительно меньшее сопротивление — для токов других частот.

Рис. 2. Схема простого полосового электрического фильтра

Подобный фильтр может применяться в модуляторах, которые выдают модулированные колебания определенной частоты. На модулятор М подается напряжение Uc сигнала низкой частоты, которое преобразовывается в модулированные колебания высокой частоты, а фильтр выделяет напряжение требуемой частоты, которое подается на нагрузку r пр.

Для примера предположим, что через цепь протекает несинусоидальный переменный ток и нужно устранить из кривой тока приемника очень большие по значению третью и пятую гармонические. Тогда последовательно в цепь включим два контура, настроенные в резонанс для третьей и пятой гармонических (рис. 3, а).

Рис. 3. Цепь с последовательно включенными резонансными контурами, настроенными в резонанс для третьей и пятой гармонических: а — схема цепи; б — кривые напряжения и цепи и тока inp приемника

Рис. 4. Кривая напряжения на выходе полосового фильтра

Выполняются в некоторых случаях и более совершенные полосовые фильтры, а также режущие фильтры, пропускающие или не пропускающие колебания, начиная с некоторой частоты. Такие фильтры состоят из Т-образных или П-образных звеньев.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Электрические частотные фильтры. Назначение, классификация.

Электрический частотный фильтр необходим в цепи для пропуска лишь желаемого диапазона частот, сигналов в виде тока или напряжения. Он представляет собой четырехполюсник.

Требования к электрофильтрам

Электрические фильтры должны соответствовать таким критериям:

— коэффициент затухания в полосе пропускания стремится к нулю;

— коэффициент затухания в полосе задержки стремится к бесконечности;

— в фильтре присутствуют только реактивные элементы (емкость и индуктивность);

— в фильтре должен обеспечиваться согласованный режим в границах частот, что обеспечивает эффективность передачи сигнала;

— фильтр не использует активную мощность в полосе пропускания.

Нужно отметить, что полосой затухания называют диапазон частот, которые пропускаются фильтром с большим затуханием, т.е. практически не пропускаются. Качественные фильтры могут задерживать до 99% сигнала, если мощность сигнала не превышает заявленные характеристики фильтра. Если частоты пропускаются без затухания, их диапазон называется полосой пропускания.

Классификация электрических фильтров

Определяют такие виды электрических фильтров:

— Высокочастотные. Пропускают частоты: от частоты среза до бесконечности. Устройство предполагает параллельное подключение индуктивности и последовательное расположение емкости.

— Низкочастотные. Пропускают частоты: от нуля до частоты среза. Конструкция предполагает параллельное размещение емкости и последовательное расположение индуктивности.

— Заграждающие. Не пропускают лишь определенные частоты, а остальные пропускают. При параллельном подключении высокочастотных и низкочастотных фильтров и соблюдении технических условий формируется заграждающий фильтр.

— Полосовые. Пропускают только определенный диапазон частот. Это может быть совокупность низкочастотных и высокочастотных фильтров, включенных каскадно (при соблюдении определенных условий — настроенных на необходимые частоты).

— Комбинированные. Комбинация нескольких типов электрофильтров.

Учитывая схемы звеньев, электрические фильтры могут быть одно- и многозвенными. Выполняя классификацию по типам элементам, устройства делятся на: безындукционные (включают в себя элементы C и R), реактивные (включают в себя элементы C и L) и прочие.

Рисунок — Схемы частотных фильтров (Г и Т образные)

Особенности и применение фильтров

Электрические фильтры используются в технике связи, радиотехнике, электротехнике, силовой электронике, различных отраслях промышленности. Устройства характеризуются такими преимуществами:

— пропускают или не пропускают определенный диапазон частот;

— сохраняют необходимые показатели на выходе;

— обеспечивают высокую скорость обработки сигнала;

— имеют широкие технические возможности для применения.

Из недостатков можно выделить чувствительность к перепадам напряжения и отсутствие универсальных моделей, то есть необходимо выбирать фильтр с определенными характеристиками с учетом имеющихся требований.

Источник

Что такое электрический фильтр и каким он бывает?

Это устройства, предназначенные для пропускания электрических сигналов в заданном диапазоне частот.

Диапазон частот, который пропускает фильтр, называется полосой пропускания, диапазон частот в котором сигнал задерживается, называется полосой задержки. Граничная частота, разделяющая полосу пропускания и полосу задержки, называется частотой среза фильтра. В зависимости от предъявляемых требований фильтры имеют различные характеристики и признаки. По основным четырём признакам фильтры разделяются:

Условные обозначения фильтров приведены на рисунке ниже.

Выше, на рисунке 1, изображены виды типовых АЧХ реальных фильтров: ФНЧ – фильтра низких частот, ФВЧ – фильтра высоких частот, ПФ – полосового фильтра, ЗФ – заграждающего фильтра.

На рисунках 1в) и 1г), для ПФ и ЗФ, изображены центральные резонансные частоты fр полос пропускания и задержки соответственно, обозначенных в свою очередь символами П.

Чем ближе форма АЧХ к прямоугольной, тем лучше избирательные свойства фильтра. Например, вторая АЧХ (рисунок 1б)) принадлежит фильтру изготовленному более качественно, чем фильтр с первой АЧХ.

Выше мы рассмотрели типовые виды АЧХ электрических фильтров. Но в некоторых случаях необходимо иметь сведения и о ФЧХ (фазо-частотной характеристике фильтра). Например, в современных системах связи, используется так называемая угловая модуляция, когда информация содержится в изменениях частоты и фазы сигнала и где требуется знать фазо-частотную характеристику фильтра. Фазо-частотная характеристика (ФЧХ) представляет зависимость разности фаз между выходным и входным сигналами от частоты сигнала, то есть функция, выражающая (описывающая) эту зависимость, а также график этой функции.

Как же выглядят ФЧХ типовых электрических фильтров? Покажем это на рисунках ниже в виде диаграмм Боде, названных в честь выдающегося инженера Хенрика Боде, включающих в себя амплитудно-частотную и фазо-частотную характеристики:

Звенья электрических фильтров обычно выполняют как Г-, П- или Т – конструкции, схематически показанные ниже, на рисунке 3. Если в этих схемах использовать одинаковые сопротивления Z₁ и Z₂, то все три фильтра будут иметь примерно одинаковые полосы пропускания.

Как упоминалось в самом начале статьи, электрические фильтры ещё подразделяются и по типам, на фильтры “k” и фильтры “m”.

Достоинства фильтров “k”:

Основные недостатки фильтров “k”:

Эти основные недостатки фильтров “k” устраняются применением фильтров “m”. Такой фильтр можно получить из звена фильтра “k”, путём построения дополнительного звена в поперечной ветви. В результате этого образуется дополнительный резонансный контур и “подбором” весового коэффициента m, который влияет на характеристическое сопротивление, можно добиться необходимых характеристик, устранив вышеуказанные недостатки фильтра “k”. Но при применении фильтров “m” появляется новый недостаток, а именно, коэффициент затухания при стремлении частоты к бесконечности стремится к нулю, а надо, чтобы он, как и в фильтре “k” стремился к бесконечности. Поэтому для устранения этого недостатка на практике применяют каскадные соединения звеньев фильтров типа “k” и типа “m”. Друг за другом ставят два звена, у одного коэффициент затухания стремится к бесконечности, другое обеспечивает крутизну характеристики, и поставленная задача решена, хотя всё на самом деле может быть и не совсем так просто, так как наверняка могут потребоваться довольно сложные математические расчёты и знания из области ТОЭ (теоретических основ электротехники).

Материал данной статьи построен на примерах реактивных LC-фильтров содержащих только катушки индуктивности и конденсаторы, пассивных RC,RL- фильтров, а также активных фильтров на операционных усилителях. Но есть ещё и другие разновидности фильтров, такие как: кварцевые, электромеханические, фильтры на коаксиальных линиях передачи, фильтры на поверхностных акустических волнах, на переключаемых конденсаторах, активные фильтры на транзисторах и другие. Для упрощения теоретического анализа, как правило, все разновидности используемых на практике фильтров сводят к LC-фильтрам, при этом конструктивные элементы реальных фильтров замещают их электрическими аналогами в виде конденсаторов, катушек и резисторов.

Источник